土壤改良劑對鎘污染土壤小麥抗性、光合特性及產量的影響

張運紅，和愛玲，楊占平，鄭春風，張潔梅，杜 君，駱曉聲，潘曉瑩,薛毅芳

(河南省農業科學院 植物營養與資源環境研究所/河南省農業生態與環境重點實驗室，河南 鄭州 450002)

鎘(Cd)是一種生物毒性極強的重金屬元素，不僅可以造成土壤嚴重污染，導致農作物產量和質量下降，還可以通過土壤—作物—食物的遷移方式被人類攝取，進而危害人類健康[1-2]。據統計，全世界每年由于人為因素向環境中釋放的Cd約有30 000 t，其中82%～94%的Cd進入到土壤中；我國有16%的農田被重金屬污染，其中被Cd污染的農田達1.3×105hm2，每年生產的鎘含量超標的農產品達1.46×108kg，嚴重影響了我國的糧食生產和食品安全[3-4]。因此，重金屬污染土壤治理已成為當前農業生產上急需解決的問題之一。目前，土壤改良劑被認為是降低土壤重金屬有效態含量和植物吸收量的有效途徑之一。研究顯示，施用生物炭可提高作物產量，降低土壤Cd的生物有效性，減少作物對土壤Cd的吸收[5-6]。劉秀珍等[7]報道，施用有機肥可有效鈍化土壤中的Cd，促進其向非生物有效態轉化，進而抑制小麥對Cd的吸收，提高小麥抗性，降低Cd毒害程度。王秀梅等[8]研究顯示，施用有機肥、菌肥、海藻肥及生物炭均可降低土壤有效態Cd含量及油菜中Cd含量，其中有機肥的作用最顯著。李冬香等[9]報道，施用硅可提高小麥葉片光合色素含量及光合效率，從而緩解Cd毒害對小麥幼苗的影響。近期的研究顯示，海藻酸鈉寡糖可調控Cd在水稻植株體內的分布，使水稻吸收的Cd更多地滯留在根部，從而有利于維持水稻的正常生長發育[10]。另有研究表明，納米材料具備晶粒尺寸小、比表面積大、吸附能力強等特性，添加到肥料中可以增加肥料的吸附性，減少肥料的流失，促進植物生長發育，提高肥料利用率[11]。不同材料環境適應性及其對土壤Cd污染的改良效果存在差異[7-8，12]，篩選成本廉價、環境適應性及改良性能好的材料是當前土壤重金屬污染修復研究的重點之一，然而同等條件下，依據材料特性尋求最優組合以實現最佳的土壤Cd污染改良效果的研究還較少。小麥是世界上最重要的糧食作物之一，優質、高產、生態、安全已成為小麥生產的主要目標。為此，研究不同土壤改良劑對Cd污染土壤小麥抗性、光合特性及產量的影響，以期篩選出可有效緩解小麥Cd毒害的土壤改良劑，為其在小麥Cd污染區的應用提供科學依據和技術參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試土壤為潮土，采自河南省鄭州市郊區，其含有機質2.78 g/kg、速效氮44.92 mg/kg、速效磷9.1 mg/kg、速效鉀98.62 mg/kg、總Cd 0.78 mg/kg，pH值為8.12。

供試生物炭(N+P2O5+K2O含量≥5%，有機質含量46%)由商丘三利新能源有限公司提供；腐植酸有機肥(腐植酸含量≥30%，N+P2O5+K2O含量≥10%，中、微量元素含量≥4%)由山東泉林嘉有肥料有限責任公司提供；海藻復合物由河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所自主研制，主要由海藻提取物(包括海藻酸鈉寡糖等生物活性物質和礦質營養元素)、硅酸鈉和納米氫氧化鎂復配組成；外源Cd為分析純CdCl2，尿素和磷酸二氫鉀也為分析純試劑，均購自國藥集團化學試劑有限公司；秸稈為2016年的玉米秸稈，烘干粉碎后備用，其含N 4.812 g/kg、P2O53.912 g/kg、K2O 16.04 g/kg。

供試小麥品種為鄭麥0943，由河南省農業科學院小麥研究所許為鋼研究員為首的育種團隊選育。

1.2 試驗設計

試驗于2016年10月—2017年5月在河南省農業科學院試驗田進行，采用土培盆栽試驗，選用聚乙烯塑料盆(直徑30 cm，高20 cm)，每盆裝過2 mm篩的土10 kg，Cd添加量為5.00 mg/kg ，和過篩后的土混合均勻后裝盆。試驗設置8個處理，分別為單獨的Cd脅迫處理(對照，CK)、Cd脅迫下添加玉米秸稈處理(T2)、Cd脅迫下添加生物炭處理(T3)、Cd脅迫下添加腐植酸有機肥處理(T4)、Cd脅迫下添加海藻復合物處理(T5)、Cd脅迫下添加玉米秸稈和海藻復合物處理(T6)、Cd脅迫下添加生物炭和海藻復合物處理(T7)、Cd脅迫下添加腐植酸有機肥和海藻復合物處理(T8)，每個處理4次重復。其中，秸稈施用量為250 g/盆，生物炭、腐植酸有機肥和海藻復合物施用量均為10 g/盆，不同物料均與土壤充分混勻后裝盆，平衡7 d后播種。各處理均基施0.4 g/kg尿素和0.4 g/kg磷酸二氫鉀，于拔節期追施0.4 g/kg尿素。10月10日播種，每盆6穴，每穴10粒，30 d后間苗至每穴6株，小麥生長期間通過稱質量法維持盆中土壤水分含量在田間持水量的70%左右。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 株高和SPAD值 于苗期、返青期、拔節期、開花期、成熟期測定小麥株高，于苗期、返青期、拔節期、開花期、灌漿期測定功能葉片(倒2葉)SPAD值，SPAD值采用SPAD-502葉綠素儀測定。

1.3.2 光合色素、丙二醛(MDA)含量及抗氧化酶活性 取拔節期小麥功能葉片(倒3葉)，剪碎、混勻后用于光合色素和MDA含量以及抗氧化酶活性的測定。光合色素包括葉綠素(Chl)和胡蘿卜素(Car)，其含量采用95%乙醇浸提比色法測定。MDA含量采用硫代巴比妥酸比色法測定?？寡趸覆捎?.05 mol/L pH值7.0磷酸緩沖液提取，其中，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑光化還原法測定，過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚法測定，過氧化氫酶(CAT)活性采用高錳酸鉀滴定法測定，抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性采用紫外分光光度計法測定[13]。

1.3.3 光合特性 于灌漿期(播種后177 d)9:30—10:30，采用Li-6200便攜式光合作用測定儀(LI-CORInc.,USA)測定小麥旗葉凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)。測定時光照強度為800～1 200 μmol/(m2·s)，葉室(2 cm×3 cm)內設定溫度為25 ℃，采用開放氣路，設定空氣流速為500 μmol/s。并計算氣孔限制值(Ls)和水分利用效率(WUE)，Ls=1-Ci/C0(C0代表氣孔中CO2濃度為420 μmol/mol)；WUE=Pn/Tr。

1.3.4 物質生產特性 分別于開花期和成熟期取地上部植株樣品，并將成熟期樣品分為籽粒和莖葉兩部分，置于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘至恒質量，測定干質量，并按下列公式計算以下參數：花前同化物積累量=開花期植株同化物積累量；總同化物積累量=成熟期莖葉同化物積累量+成熟期籽粒產量；花后同化物積累量=總同化物積累量-花前同化物積累量；花后同化物積累率=花后同化物積累量/總同化物積累量×100%；收獲指數=籽粒產量/生物產量[14]。

1.3.5 產量及其構成因素 收獲前，調查每盆小麥有效穗數，每穗實粒數多于5粒者為有效穗；成熟期，收割每盆全部植株，分別脫粒，風干后稱質量，計算每盆籽粒產量、千粒質量；各盆選取代表性植株10株，采用百分之一電子天平稱穗質量，并在室內清查所有穗的粒數，計算穗粒數。

1.4 數據分析

采用Excel 2007進行數據處理，SPSS 17.0進行方差分析，LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 土壤改良劑對Cd脅迫下小麥株高和SPAD值的影響

由圖1可以看出，T5處理的小麥株高在苗期、返青期、拔節期、開花期和成熟期均最高，分別較對照顯著增加8.8%、23.3%、18.8%、12.7%和5.5%；T3、T4處理的株高整體上在各生育時期也較高；T6處理的株高在不同生育時期均最低(拔節期除外)，分別較對照下降26.6%(P<0.05)、23.3%(P<0.05)、9.5%(P<0.05)、1.3%(P>0.05)和2.1%(P<0.05)；T7處理株高整體上在各生育時期也較低;T2處理在苗期、返青期和拔節期均顯著低于對照，降幅分別為14.1%、18.8%和16.6%，在開花期和成熟期均顯著高于對照，提高幅度分別為9.3%和4.2%。小麥葉片SPAD值在苗期和返青期均以T5處理最高，分別較對照顯著提高17.2%和3.5%，在拔節期以T4處理最高，較對照顯著提高9.1%，且這3個時期均以T2處理最低，在開花期和灌漿期均以T2處理最高。總體上，T5處理可有效緩解Cd脅迫對小麥生長的抑制作用，T3和T4處理也可在一定程度上促進Cd脅迫下小麥的生長，但與前者配合施用效果變差；T2處理對小麥生育前期生長不利，但隨生育期延長小麥長勢漸好。

不同小寫字母表示同一時期不同處理間差異顯著(P<0.05)

2.2 土壤改良劑對Cd脅迫下小麥葉片抗氧化酶活性和MDA含量的影響

表1 土壤改良劑對Cd脅迫下小麥葉片抗氧化酶活性和MDA含量的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示不同處理之間的差異顯著(P<0.05)，下同。

2.3 土壤改良劑對Cd脅迫下小麥葉片光合色素含量的影響

由表2可知，T5和T8處理小麥葉片Chla和總Chl含量均較高，其中Chla含量分別較對照顯著增加6.7%和7.9%，總Chl含量分別較對照顯著增加7.1%和8.9%；T2、T3和T6處理的Chla和總Chl含量均較對照顯著下降，Chla含量降幅分別為14.1%、14.6%和30.7%，總Chl含量降幅分別為13.7%、4.8%和30.4%；此外，T7處理的總Chl含量也顯著低于對照，降幅為7.9%。T4處理的Chlb和Car含量均顯著高于對照，提高幅度分別為7.2%和9.6%；T2、T3和T6處理的Chlb含量均較對照顯著降低，降低幅度分別為11.5%、7.6%和29.6%；T2、T3、T6、T7和T8處理的Car含量均顯著低于對照，降低幅度分別為17.0%、11.8%、28.0%、13.3%和8.1%。綜上，T5和T8處理可提高Cd脅迫下小麥葉片光合色素含量，從而有利于光合作用的進行。

表2 土壤改良劑對Cd脅迫下小麥葉片光合色素含量的影響 mg/g

2.4 土壤改良劑對Cd脅迫下灌漿期小麥光合特性的影響

由表3可以看出，T5、T6、T7和T8處理小麥Pn均顯著高于對照，增幅分別為44.2%、12.58%、11.2%和12.2%；T2和T3處理均顯著低于對照，降幅分別為14.0%和15.0%。T3、T5和T6處理小麥WUE均顯著高于對照，增幅分別為5.3%、3.9%和3.4%；T2、T7和T8處理均顯著低于對照，降幅分別為15.4%、12.0%和10.7%。除T3和T4處理外，其余處理小麥Gs均顯著高于對照，增幅為10.0%～57.7%，以T5處理增幅最大。T5、T7和T8處理小麥Tr均顯著高于對照，增幅分別為38.8%、26.6%和25.5%；T3處理則較對照顯著下降，降幅為19.1%。T2、T5、T7和T8處理小麥Ci均顯著高于對照，增幅分別為12.9%、6.5%、5.9%和3.2%；T6處理則較對照顯著下降，降幅為4.2%。T2、T5、T7和T8處理小麥Ls均較對照顯著下降，降幅分別為17.5%、9.9%、9.1%和6.0%，其他處理與對照間的差異均不顯著。綜上，T5處理可顯著提高Cd脅迫下小麥Pn，促進光合作用的進行，且主要通過提高Gs、降低Ls來實現；此外，該處理的Tr和WUE也總體上均顯著高于其他處理。

表3 土壤改良劑對Cd脅迫下灌漿期小麥光合特性的影響

2.5 土壤改良劑對Cd脅迫下小麥物質生產特性的影響

由表4可知，T4、T5和T7處理的小麥花前同化物積累量較高，分別較對照顯著增加40.7%、26.7%和26.6%；其次是T8處理，也顯著高于對照，增幅為12.5%，其余處理與對照均無顯著差異。對于花后同化物積累量，T2處理顯著高于對照，增幅為21.29%，T4、T5和T7處理均顯著低于對照，降幅分別為68.93%、23.79%和60.93%。對于總同化物積累量，T2、T5和T8處理均顯著高于對照，增幅分別為5.74%、7.23%和6.65%，T7處理顯著低于對照，其他處理與對照間的差異均不顯著。花后同化物積累率，以T2處理最高，較對照增加5.68個百分點；T4、T5、T7處理均顯著低于對照，分別降低26.41、11.17、22.36個百分點。對于粒質量，以T3處理最高，其次是T8處理，二者分別較對照顯著增加13.52%和7.08%，T6處理較對照顯著降低12.30%，其他處理與對照均無顯著差異。對于收獲指數，以T3處理最高，較對照顯著增加16.52%；T2和T6處理均顯著低于對照，降幅分別為9.14%和14.16%；其他處理與對照均無顯著差異。綜上，T2處理可促進小麥花后同化物積累，T4、T5和T7處理對促進花前同化物積累作用效果顯著，T3處理對提高小麥的粒質量和收獲指數效果較好。

表4 土壤改良劑對Cd脅迫下小麥物質生產特性的影響

2.6 土壤改良劑對Cd脅迫下小麥產量及其構成因素的影響

由表5可知，T5、T8、T3、T4處理小麥有效穗數均顯著高于對照，增幅分別為26.0%、8.7%、6.7%、3.8%；T6和T7處理均顯著低于對照，降幅分別為8.6%和7.0%。對于穗質量，除T7處理較對照顯著下降外，其他處理均顯著高于對照，增幅為 1.68%～7.14%，以T5和T8處理增幅最高。對于穗粒數，以T8和T7處理較高，分別較對照顯著提高15.62%和14.59%，其次是T4、T5和T2處理。對于千粒質量，以T3處理最高，其次是T8和T4處理，三者分別較對照顯著提高18.09%、14.28%和13.86%。對于產量，以T5處理最高，其次是T3和T8處理，三者分別較對照顯著增加30.94%、21.17%和16.42%；T2、T6和T7處理均顯著低于對照，降幅分別為8.41%、19.90%和13.06%。綜上，T5處理可促進Cd脅迫下小麥產量的形成，主要歸因于有效穗數的增加；T3處理促進產量的形成主要歸因于千粒質量的增加；T8處理促進產量的形成主要歸因于穗粒數的增加；T6和T7處理產量降低主要歸因于有效穗數的下降。

表5 土壤改良劑對Cd脅迫下小麥產量及其構成因素的影響

3 結論與討論

植物對Cd的吸收受土壤pH值、陽離子交換量(CEC)、有機質含量以及離子間的作用等諸多因素影響，土壤改良劑可改變這些因素，從而影響土壤中Cd的有效性及植物對Cd的吸收[15-19]，故被認為是土壤重金屬污染修復的有效途徑之一。不同改良劑對土壤有效Cd含量和作物對Cd的吸收影響不盡一致，這與改良劑自身的性質及添加量有關[17]。本研究結果表明，Cd脅迫條件下，海藻復合物可通過提高SOD和APX活性，增強小麥的抗性；并可增加光合色素含量、提高Pn，從而促進小麥的生長及產量的提高。前期的研究證實，海藻酸鈉寡糖可將水稻吸收的Cd更多地滯留在根部細胞壁中，并可提高非巰基蛋白、植物螯合肽和脯氨酸含量以及抗氧化酶活性，從而緩解Cd毒害，維持水稻的正常生長發育；此外，還可改善植物類囊體膜的結構和功能，從而提高其光合效率[20-21]。魏曉等[22]研究顯示，硅可減少土壤中Cd的移動和潛在移動，一方面，單硅酸可與Cd反應形成不溶性硅酸鹽；另一方面，土壤Cd可被富硅物質吸附，從而降低Cd的移動性；此外，硅素還可增加水稻質外體和共質體中單硅酸的濃度，從而使大部分Cd積累在根部質外體中，有效降低Cd在水稻組織中的遷移。袁婷等[11]報道，納米氫氧化鎂可促進非酶類以及酶類等次生代謝物質的產生，從而增加作物的抗氧化能力。河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所自主研制的海藻復合物，主要由海藻提取物(包括海藻酸鈉寡糖等生物活性物質和礦質營養元素)、硅酸鈉和納米氫氧化鎂復配組成，這可能是其促進Cd脅迫下小麥生長發育及產量提高的主要原因。然而，本試驗對土壤Cd的賦存形態未作解析，海藻復合物對土壤中Cd形態及遷移的具體影響，還有待進一步研究。

研究表明，生物炭本身是一種良好的土壤理化性質改良劑，可增加土壤比表面積和孔隙度，提高土壤中各種離子的交換能力和pH值，其對土壤中Cd賦存形態的影響主要通過影響土壤有機質含量、CEC、pH值和氧化還原電位等來實現[16-17]。腐植酸是一種帶電荷的高分子有機聚合物膠體，含有羧基、酚羥基和氨基等活性官能團，對很多離子具有較強的結合能力。關于腐植酸對重金屬的影響，目前有2種觀點：一種認為，腐植酸的添加，可使土壤對重金屬的吸持能力增強，從而降低重金屬對植物的可給性和毒害程度；另一種則認為，低分子質量腐植酸可活化土壤中的Cd，從而促進植物對其吸收。是鈍化還是活化土壤中的Cd，主要取決于其組分和土壤環境條件[23]。從本試驗結果來看，生物炭和腐植酸有機肥處理可在一定程度上促進Cd脅迫下小麥的生長發育，可能與其增強土壤對Cd的吸持能力、降低其毒害有關。然而，本試驗條件下，海藻復合物與生物炭或腐植酸有機肥配合施用效果不及海藻復合物單獨處理，且產量降低主要歸因于有效穗數的降低，其原因還不是很清楚，是否與物質間的相互作用有關還有待進一步考究。此外，本試驗中，秸稈還田處理對小麥生育前期生長不利，但隨生育期推進小麥長勢漸好，可能與秸稈腐熟前期微生物活動需要消耗大量的氮，與小麥生長氮需求存在競爭關系有關，后期隨著養分及有機物質的釋放[24]，小麥長勢逐漸轉好。